Att anpassa din degel till din tillämpning

Om du smälter metall eller håller ett smält bad är det troligt att din verksamhet är unik. Din speciella kombination av ugnar, legeringar, arbetsmetoder, metallurgiska behandlingar, gjutningsarrangemang och slutprodukter kommer sannolikt inte att kopieras i någon annan anläggning. Att välja en degel som ger maximal prestanda för din verksamhet är därför en individuell och komplex uppgift.

Denna artikel är utformad som en vägledning för att välja den optimala degeln för din verksamhet. Den förklarar förhållandet mellan smältning/hållning av metaller och specifika egenskaper hos degeln. Den ger stöd till men ersätter inte behovet av att metallsmältare och degelleverantörer arbetar nära tillsammans i val av degel.

Den moderna degeln är ett mycket heterogent, grafitbaserat kompositmaterial, som förlitar sig på sin materialsammansättning och kontroll av grafitens strukturella inriktning för att uppnå den prestanda som krävs. Grytorna kan vara så små som tekoppar eller rymma flera ton metall. De kan vara fast monterade på plats i en ugnsstruktur eller vara utformade för att tas ut ur ugnen för att hällas i slutet av varje smältning. Grytor används i bränsleeldade ugnar, elektriska motståndsugnar, induktionsugnar eller helt enkelt för att överföra smält metall. De finns med eller utan hälltoppar och i ett stort antal traditionella och specialiserade former.

De har också många olika prestandaegenskaper eftersom varje tillämpning har en komplex uppsättning temperatur-, kemiska och fysikaliska parametrar som definierar de tekniska gränser inom vilka degeln måste utformas för att fungera.

Hur väljer du då rätt degel för din verksamhet bland det omfattande utbud av degeltyper och -material som finns tillgängliga?

Det bästa tillvägagångssättet är att börja med din egen detaljerade bedömning av din verksamhet. Du måste dokumentera och, om möjligt, kvantifiera alla aspekter av dina smältnings-, hållnings- och metallhanteringsprocesser. Dessa omfattar följande:

• Kapaciteten,
• Den specifika legering eller det legeringssortiment som du smälter
• De smält- och/eller hålltemperaturer som du upprätthåller
• Den temperaturförändringshastighet som degeln har.
• Hur degeln laddas
• De flussmedel eller tillsatser som används
• Avgasnings- eller raffineringsprocesser
• Hur slagg eller slaggmassa avlägsnas
• Hur degeln töms.

Dessa nio kategorier återspeglar de mer vanliga faktorerna som du måste ta hänsyn till när du väljer en degel som motsvarar dina specifika krav. Du bör också ta hänsyn till eventuella ytterligare processer eller krav som kan vara specifika för din verksamhet. Ett exempel kan vara din förmåga att tolerera eller ditt behov av att undvika korskontaminering av legeringar.

Men medan du tar med dig den detaljerade informationen om din egen verksamhet till val av degel måste din degelleverantör bidra med en hög nivå av sakkunskap om degelmaterial, egenskaper och prestanda. För att få ett så stort urval som möjligt bör du leta efter en degelleverantör som kan erbjuda överlappande produktlinjer för deglar som är lämpliga för varje specifik metall men som har olika driftsegenskaper. Tillsammans kan ni sedan noggrant anpassa en specifik degel till era specifika krav. Att uppnå denna matchning är nyckeln till degelns säkerhet, prestanda och maximal livslängd.

Var dock medveten om att det på en praktisk nivå kanske inte finns en enda degeltyp som erbjuder den högsta nivån av alla önskvärda egenskaper för din tillämpning. Gjuteriets prestandaegenskaper innebär ofta kompromisser. Till exempel behöver en degel med den bästa värmeledningsförmågan inte också erbjuda det bästa skyddet mot termisk chock. Därför bör du prioritera listan över de degelegenskaper som är viktigast för din tillämpning och se över dessa prioriteringar med din degelleverantör.

Ugnskapacitet, dimensioner och typ

Den kapacitet, de dimensioner och den typ av ugn som du använder kommer att fastställa de flesta observerbara detaljerna om din degel. När du till exempel vet vilken metallkapacitet din ugn är konstruerad för, vet du vilken kapacitet din degel bör ha. På samma sätt kommer dimensionerna på utrymmet för degeln i din ugn att diktera dimensionerna och formen på din degel. Detta avgör också om degeln måste ha en hälltunna. Men om du väljer en degel som passar din ugnstyp får du många andra mindre uppenbara faktorer att ta hänsyn till.

Bränsleeldade ugnar

Bränsleeldade ugnar omfattar ugnar som drivs med gas, olja, propan eller koks. Var och en av dessa bränslen exponerar degeln direkt för värmekällan och var och en ger en annan värmenivå, som normalt mäts i BTU. Den degel som väljs måste kunna motstå de maximala BTU som bränslet i ugnen kan tillföra degeln. I gas-, olje- och propanugnar måste degeln kunna motstå effekterna av brännarens låga i botten av degeln och degeln måste vara avsmalnande så att lågan kan cirkulera runt degeln från botten till toppen. Detta möjliggör en jämn uppvärmning av degeln. Materialet i degeln måste också kunna motstå oxidationsskador från lågan och klara av den värmeförändring som degeln kommer att utsättas för.

God värmeledningsförmåga och jämn uppvärmning är viktiga egenskaper hos degeln när det gäller att överföra värmen från ugnens inre genom degeln till metallladdningen. Grytor med hög grafithalt i kolbindemedlet ger hög värmeledningsförmåga för snabb smältning i gaseldade ugnar.

Elektriska motståndsugnar

Elektriska motståndsugnar ger jämn, allsidig uppvärmning av en degel och lämpar sig utmärkt för exakt temperaturkontroll i metallhållningsapplikationer. Men de är långsammare än bränsleeldade ugnar vid smältningsapplikationer. Följaktligen väljs ofta energieffektiva deglar med hög grafithalt i kolbindningsmedlet för att ge hög värmeledningsförmåga för snabbare smältning i dessa ugnar.

Deglar som utformats för elektriska motståndsugnar är normalt basinformade och ger ett jämnt avstånd mellan degeln och ugnens värmeelement.

Induktionsugnar

Väljning av deglar för induktionsugnar är en mer komplex uppgift. I vissa tillämpningar, t.ex. vid raffinering av ädelmetaller, används deglar som är utformade för att värmas upp i ugnens induktionsfält för att smälta laddningen. I andra tillämpningar används deglar som låter det induktiva fältet passera genom dem och värmer upp metallladdningen direkt. Därför är det viktigt att anpassa degelns elektriska egenskaper till ugnens driftfrekvens och till smältningstillämpningen. I vissa konstruktioner kräver t.ex. induktionsugnar med lägre frekvens deglar med hög halt av kiselkarbid och i andra tillämpningar kräver induktionsugnar med högre frekvens deglar med hög halt av lera. Att anpassa degelns elektriska resistivitet till induktionsugnen är nyckeln till att förhindra överhettning av degeln.

De flesta deglar som konstruerats för induktionsugnar är cylindriska för att ge ett jämnt avstånd mellan degeln och ugnsspolen. Vissa små ugnar som är konstruerade för avtagbara deglar har dock en avsmalnande spole för att matcha profilen på bilgeformade deglar.

Avtagbara deglar

Alla ovanstående ugnstyper kan konstrueras för att använda avtagbara deglar. Dessa deglar kan laddas utomhus eller när de är installerade i ugnen, men de avlägsnas från ugnen för gjutning. Liksom deglar som endast används för metallöverföring är de bilgeformade eller A-formade så att de kan lyftas med en tång som är utformad för att stödja degeln på rätt sätt.

Ougnens effektbegränsningar

En sista faktor att ta hänsyn till när du dokumenterar dina krav på deglar baserat på din ugns specifikationer är tillgången till ström. På många platser kan det hända att ström för smältning eller hållning inte alltid är tillgänglig eller att det kan vara oöverkomligt dyrt vid vissa
tidpunkter eller på vissa nivåer. Om detta är fallet vid din anläggning kan det vara särskilt viktigt att välja en energieffektiv degel.

Metaller du smälter och/eller håller

Vet du vilka metaller och legeringar du smälter eller håller kommer att berätta mycket om vilka egenskaper du behöver i en degel. Din detaljerade katalog över de metaller du tänker smälta kommer att hjälpa till att fastställa den maximala temperatur som degeln måste klara av för smältning och lagring, kommer att definiera hur metallen kommer att interagera med degelmaterialet, både kemiskt och fysiskt, och det kommer att vara en nyckelfaktor när det gäller att bestämma vilka egenskaper som din optimala degel bör erbjuda. Ett exempel är att vid smältning av kopparbaserade legeringar i bränsleeldade ugnar ger rullformade kiselkarbiddeglar bättre resultat på grund av högre termisk stöttålighet. I andra typer av ugnar väljs ofta deglar på grund av deras höga densitet. Mindre täta och mer porösa deglar kan tillåta erosion.

Kolförbandade och keramikförbandade lergrafit- och kiselkarbiddeglar används i stor utsträckning vid smältning och lagring av aluminium och aluminiumlegeringar, aluminiumbrons, koppar och kopparbaserade legeringar, kopparnickel och nickelbronslegeringar, ädelmetaller, zink och zinkoxid. Deglar används också för att smälta gjutjärn. Tillsammans representerar dessa metaller ett temperaturområde från 400°C/750°F till 1600°C/2912°F.

Och även om vissa typer av deglar stöder metalltemperaturer som omfattar ett brett spektrum av metaller, är det ofta nödvändigt att välja deglar som är inriktade på specifika metaller eller legeringar och som har ett mer begränsat arbetstemperaturområde. Att välja sådana deglar är ofta mer fördelaktigt eftersom de har prestanda som är viktiga för din verksamhet. Att använda en degel som kan smälta metaller från järn till zink är till exempel kanske inte lika viktigt för din smältning av aluminiumlegeringar som att ha en degel som är begränsad till det temperaturintervall du behöver men som kan motstå korrosionsskador från dina flussmedel för metallbehandling.

Smältnings- och hållningstemperaturer

Generellt sett kommer de metaller och legeringar som du smälter eller håller att bestämma det temperaturintervall inom vilket din degel måste kunna fungera. Gjuterier får aldrig värmas upp över sin maximala temperatur. Detta kan leda till farliga fel på degeln. Att arbeta under degelns nedre temperaturgräns kan dock också orsaka problem. Till exempel kommer deglar som är utformade för smältning av kopparbaserade legeringar vid höga temperaturer att oxidera om de används vid låga temperaturer för zinksmältning.

Smältnings- och hållningspraxis som inbegriper metalltemperaturer måste också beaktas vid val av deglar. Om din verksamhet innefattar överhettning måste du ta hänsyn till de högre metalltemperaturer som uppnås.

Temperaturförändringshastighet

En degelns förmåga att hantera temperaturförändringshastigheten är lika viktig som dess lägsta och högsta temperaturgränser. Om dina operativa metoder leder till frekventa uppvärmnings- och kylningscykler för degeln eller om du på annat sätt utsätter den för snabba temperaturförändringar måste du välja en degel som är motståndskraftig mot termisk chock. Vissa typer av deglar är mycket bättre på att hantera snabba temperaturförändringar än andra. Ett högt kolinnehåll i grafit i en degel ger t.ex. en hög värmeledningsförmåga och en hög icke-vätbarhet. När grafen bildar en riktningsorienterad matris ger degeln också hög termisk stöttålighet. Detta är avgörande för gjuteritillämpningar där temperaturen kan ändras med flera hundra grader på några sekunder. Din degelleverantör kan ge råd om vilka deglar som ger bäst motståndskraft mot termisk chock för din tillämpning.

Hur degeln laddas

Om din ugn alltid laddas med smält metall behöver den förmodligen inte en degel som är utformad för att vara mycket motståndskraftig mot fysiska skador. Om metalltackor eller andra tunga material utgör huvuddelen av din laddning och de inte försiktigt sänks ner i ugnen via ett automatiskt laddningssystem, kan du dock välja en degel som är mekaniskt stark och som kan överleva fysiska stötar. Grytor med högt kolinnehåll och en riktningsorienterad grafitstruktur ger utmärkt stöttålighet.

Du vill också ha en degel med en hållbar skyddande glasyr. Skador på glasyren från grov hantering kan leda till oxidationsskador på degeln. Extruderade aluminiumgots har ofta skarpa kanter som skär djupt in i en degelkropp vilket leder till skadliga sprickor.

Flödesmedel och tillsatser

Alla deglar erbjuder en viss nivå av motståndskraft mot korrosion och kemiska angrepp. Men de flesta flussmedel och andra metallbehandlingar som används vid smältning av aluminium och andra icke-järnmetaller är starkt korrosiva och kräver en degel som erbjuder en hög motståndskraft mot kemiska angrepp. Denna beständighet uppnås bäst genom både en konsekvent tät materialstruktur i degeln och en hållbar skyddande glasyr. Om din smältningsapplikation inbegriper användning av korrosiva metallbehandlingar vill du säkert ha en degel som erbjuder lämplig skyddsnivå mot dessa medel.

Avgasning och raffinering

Avgasning av aluminium och aluminiumlegeringar innebär vanligen att inert gas, vanligen kväve, bubblar genom det smälta badet samtidigt som badet omrörs med en rotor som är utformad för att bryta sönder och skingra gasbubblorna. Dessa små bubblor drar sedan ut oönskade väte- och oxidämnen ur badet och för dem tillsammans med slagg och inneslutningar till ytan där gasen släpps ut i luften och det fasta materialet kan avlägsnas. Denna process, som ofta används tillsammans med flussmedel, eroderar degeln fysiskt och angriper den även kemiskt. Därför krävs en tät och mekaniskt stark degel som är mycket motståndskraftig mot kemiska angrepp. Deglar av kiselkarbid ger utmärkt motståndskraft mot erosion vid förhöjd temperatur och kemisk korrosion. När deglar pressas isostatiskt bildar de dessutom ett slumpmässigt arrangemang av grafit i sin struktur. Detta bidrar till att skapa tätare produkter som kan överleva erosiva och korrosiva förhållanden på ett effektivare sätt.

Flera raffinerings- och metallbehandlingsprocesser som används med andra icke-järnmetaller kräver också en mekaniskt stark och kemiskt motståndskraftig degel.

Vid raffinering och smältning av ädelmetaller är det särskilt viktigt att den degel som du använder ger ren metall genom att den har icke-vätande egenskaper. Det innebär att degeln måste vara väl förseglad mot metallinträngning. Denna egenskap uppnås genom att degeln har en tät materialstruktur och en hållbar skyddande glasyr.

För att avlägsna slagg och slagg

En tät, icke-vätande degel bidrar också till att minska slagg- och slaggansamlingen och gör det lättare att rengöra degeln när den är tom.

Tömning av ugnen

Grytor för att smälta och hålla smält metall som doppas ut ur ugnen måste vara utformade så att metallen är lätt åtkomlig och med hög termisk effektivitet. Detta gör det möjligt för ugnen att hålla metallen vid rätt temperatur med minimal bränsle- eller energiförbrukning.

Grytor för ugnar som lutar för hällning kräver ofta integrerade hälltunnor som ger den räckvidd och noggrannhet som behövs för hällningen.

Slutsats

Med en fullständig och detaljerad förståelse för alla aspekter av din smältning och/eller hållning av metaller kommer du och din degelleverantör att ha ett bra utgångsläge för att välja en degelprodukt som uppfyller dina specifika driftskrav och som ger en konsekvent längre livslängd.